1.2.2 土体渗流固结特性的研究现状

1. 宏观领域研究现状

渗流固结主要是指在外加荷载作用下, 饱和或部分饱和土体中的水从孔隙中逐渐被排出, 土体不断被压缩, 孔隙水压力与有效应力不断转化,外加压力逐渐从孔隙水传递到土骨架上, 直至土体变形达到稳定为止的过程。对于高压缩性的饱和软土, 其固结速率既取决于水的渗流速率, 又取决于土骨架的蠕变速率。渗流固结特性的研究在理论层面和实际工程应用中都具有极为重要的意义。目前, 在大面积的软基处理中, 一般利用砂井或塑料排水板堆载预压法, 排出孔隙中的水以提高土体强度, 即通过渗流固结来达到软基加固的目的。在整个加固过程中, 土体固结系数的大小或固结速度的快慢对加固效果有着重要的影响。

1925年, 太沙基提出了有效应力原理并建立了一维固结理论(Terzaghi K, 1925), 这是现代土力学发展史上的一个重要里程碑。基于固结理论就可以对建 (构)筑物的沉降进行计算和预测, 因此对固结理论的研究也成为土力学中最基本的课题。Rendulic L (1936)将太沙基一维固结理论推广到了二维和三维情况, 假定土体只发生竖向变形, 不考虑土骨架变形与孔隙水运动的相互影响。由于该理论考虑了二维或三维渗流, 因而在实际工程中被广泛应用。Biot M A (1956)从严格的固结理论出发, 提出了Bi-ot固结理论并求出条形荷载下半无限地基固结问题的解, 进而把该理论推广到动力问题。Gibson R E等 (1967)提出了一维有限非线性应变固结理论, 并在研究厚层黏土固结时发现, 如考虑土体非线性的土体固结速率比用太沙基理论推导的要快。Baligh M M等 (1978)基于太沙基理论对循环荷载情况做了具体的分析。吴世明等 (1988)推导了任意荷载下的一维固结方程的通解并以积分的形式予以表达。谢康和等 (1995)给出了变荷载下任意层地基一维固结问题完整的解析解并编制了相应的计算程序。蔡袁强等 (1998)根据太沙基固结方程和Laplace变换, 求解出循环荷载下弹性多层饱和地基的一维固结方程通解。但是, 太沙基一维固结理论自身存在难以逾越的不足, 如假设固结过程中, 土体的压缩系数和渗透系数不变、固结度和压缩系数等同。魏汝龙 (1993)认为由于太沙基一维固结理论没有考虑水平向孔隙水压力的消散, 导致土体沉降速率偏小; 而实际工程中的软基是在二维或三维条件下发生固结和变形, 其实际沉降速率比太沙基一维固结理论计算的沉降速率快许多; 该结论通过软基现场沉降观测得以验证。由此采用半对数型和双曲线型压缩曲线, 推演固结度和压缩系数之间的解析关系, 提出以实测沉降过程推算现场土体平均固结系数的方法。虽然地基的二维、三维固结理论与工程实际更相符, 但其指标求取与测定相当困难, 因此, 太沙基一维固结理论在工程实践中仍得以广泛应用。

Mcnamee J等 (1960)引入位移函数并求解出轴对称荷载作用下单层地基的Biot固结问题。Sandhu R S等 (1969)利用变分原理推出了Biot固结理论的有限元方程。Booker J R等 (1977, 1987)利用Laplace变换推导Biot固结理论的有限元方程, 按矩阵位移法的思路求解出了多层地基的二维和三维Biot固结解。赵维炳等 (1996)提出了考虑软土黏弹性的一维及轴对称固结解析解。任红林等 (2003)以Biot二维固结问题的弹性解为基础, 运用李氏比拟法对各向同性的有限厚地基的黏弹性解进行了分析, 并对广义的Voigt模型写出了解的具体形式, 给出了固结方程一个普遍有效的一般解法, 使得固结问题求解有了相对较大的进展。褚衍标等 (2008)结合Biot固结理论及自然单元法的特点, 利用经典变分原理推导固结微分方程的离散形式, 针对二维固结问题编制计算程序, 结果表明自然单元法的解与解析解较为吻合。刘志军等 (2015)对Biot理论和修正Biot理论中的波动方程进行推导, 导出了三种不同形式的波动方程, 得到了Biot弹性系数表达式, 并分析了两者的应力及对应关系。总之, 近年来, 国内外根据Biot固结理论, 应用数值分析方法求解土坝、路堤、挡土结构、建筑物的软土地基问题, 有力地推动了Biot固结理论的发展。

2. 微细观领域研究现状

许多学者对不同地区软土的渗流固结特性进行了微细观层面研究。张诚厚 (1983)认为土颗粒的矿物成分、沉积条件及孔隙水的化学成分都会对软土结构性产生影响; 通过比较结构性较强的湛江黏土和结构性较弱的上海黏土的固结试验发现, 结构性对软土的宏观物理力学特性有重要影响。Locat J等 (1985)对Grande-Baleine海积软土、马驯 (1993)对天津港东突堤淤泥、Mesri G等 (1995)对Mexico City软黏土、龚晓南等(2000)对杭州淤泥质黏土、孔令伟等 (2002)对琼州海峡湛江海域的结构性海洋土、赵志远 (2003)对温州软土、王国欣等 (2003)对杭州淤泥土、拓勇飞等 (2004)对湛江地区软土、蔡国军等 (2007)对连云港海相黏土、张明鸣等 (2011)对深圳大铲湾吹填淤泥、王军等 (2013)对黏土坝基的研究表明, 由于软土具有明显的区域特性, 不同地区软土的微细观结构存在显著不同, 故其渗流固结特性存在明显的差异性。